现场测量表面缺陷的方法分析

朱 丹，王 康

（陕西飞机工业有限责任公司，陕西 汉中 723213）

0 引言

飞机制造是一个长周期生产过程，此过程不仅涉及飞机零组件的冷热加工，也涉及部件装配、总装配和试飞等工作。在这些过程中，因设备故障、原材料组织缺陷、操作防护不当等原因，会产生各种形式的表面缺陷。表面缺陷会对飞机的强度、密封、防腐和气动特性造成影响，轻则降低飞机的使用性能和缩短使用寿命，重则影响飞行安全。因此，在飞机的制造环节就应该准确地测量这些表面缺陷，缺陷测量的准确度直接会影响后期设计和工程部门的处理方案。

因为飞机零组件的外形复杂、刚性差，部件和整机尺寸巨大，表面缺陷种类和形式多样，缺陷位置受空间限制、结构不可拆卸等原因，很多情况下，无法将其放置在设备上进行表面缺陷检测。只能通过技术人员携带常规测量工具到生产现场测量和采集缺陷信息。

1 缺陷检测现状及存在的问题

在各种表面缺陷中，划伤是较为普遍的一种缺陷形式。常规测量划伤缺陷时，使用的工具为划伤表。划伤表是一种特殊的指示表，它通过指示表与特制底座（图1）组合使用来完成测量工作。此特制底座外观呈圆台状，圆台中轴线上设置一个通孔，圆台底面设置3 个内螺纹孔，圆台的弧面上设置一个单侧相贯孔与通孔垂直。通常我们将指示表的测头由小端插入通孔中，锁紧装置插入相贯孔中将特制底座和指示表锁紧，在3 个内螺纹孔内依次安装上规格相同的3 个指示表测头作为触脚。在测量过程中，这3 个触脚构成的平面作为测量基面，而指示表测头由完整平面移入缺陷最深处时的示值变化值即为此缺陷的深度。用划伤表测量表面划伤缺陷的方法称为划伤表法。

图1 特制底座构型

划伤表法具有较强适用性，但仍存在以下不足之处。

（1）由基座上的3 个触脚确定的测量基面较小，因此只能测量区域面积较小的缺陷。

（2）受测量空间限制，划伤表法完全无法测量小直径孔内缺陷。

（3）由于尖触头划伤表表头触头半径较小，对硬度低于测头材质的零件容易造成二次划伤。

（4）确定基面的3 个触脚规格相同，因此只能测量外形曲率较小的表面缺陷。

（5）不同的人将这3 个触脚安放于表面的位置不同，则确定的基面就不同，人为误差较大。

2 改进后的方法

2.1 划伤表和大尺寸量块组合法

在实际测量工作中，会经常遇到大面积缺陷的测量。以某型飞机中央翼蒙皮大面积腐蚀深度测量为例，由于中央翼蒙皮在翼展方向的曲率较小，每条翼展方向的线条均可近似看作直线，因此取消划伤表底座的内螺纹孔上3 个测头，用大尺寸量块沿翼展方向放置于被腐蚀的蒙皮表面，量块两端搭接在未被腐蚀的蒙皮处。通过用大尺寸量块来增大跨距找基准，最终完成蒙皮大面积腐蚀深度的测量任务。

此方法成功解决了划伤表法无法测量大面积缺陷的问题。但在实际测量实践过程中，也总结出了一些不足：①该测量方法对被测工件表面质量要求高，测量准确度随着工件单方向曲率的增大而降低。②划伤表底座下平面与大尺寸量块配合调平，移动测量时，对工具的稳定性要求较高，工具易倾斜难操控。③不同测量人员用大尺寸量块调平、导向时定位区域不同，就会得出不同的基面，这种因人工操作产生的偏差会对测量结果的一致性产生很大的影响。

2.2 改装内径表测量缺陷法

接触测量中常见的接触形式为点接触、线接触和面接触。选择接触形式的原则是优先考虑采用点接触；在条件不允许或较难实现时，再考虑用线接触，面接触为最后考虑方式。

在实际的测量中，正确地确定触头形状是非常有必要的。例如点接触中触头半径的大小对能否很好地揭露实际误差有很大的影响。如图2 所示，被测缺陷原为三角形，但用球型触头测得的数据较实际尺寸缺少了尺寸a。由此可见，正确地确定触头半径的重要性。

图2 球型触头无法真实测量三角形缺陷

目前，现场测量孔内缺陷多采用内径量表等通用量具来完成。该方法通过测量孔内缺陷位置与正常位置孔径的差值来反映缺陷深度，但由于缺陷形态各异，量具的测头不能触及到某些缺陷最深处，无法反映缺陷真实数据。经过摸索，对内径量表做了微小改进，将其内径部分的活动测头由球形触头改进成为尖触头。此方法常用于孔径大于φ18mm 的内部缺陷。受测量空间限制，划伤表法无法完全测量小直径孔内缺陷。其次，若使用印模法，需用大量的印模材料，这样既浪费资源，又延长了测量时间。利用改装内径表法，既节约了资源，又提高了工作效率。

改装内径表法将球形触头改为尖触头，降低了系统误差，提高了测量的准确度。但由于触头半径小，容易使硬度低于测头材质的零件造成二次划伤。与球形触头相比，尖触头更易磨损，这个缺陷可通过镀铬层的方法提高其耐磨性。

2.3 印模测量法

在机械制造过程中，有些缺陷因空间位置限制或材料特性限制，而不能用常规量具测量，这种情况下可以考虑使用印模法。

印模法使用了可塑性材料，首先将被测表面的加工缺陷复印下来，然后用常规方法对复印下来的印模进行间接测量，从而能够确定被测表面的缺陷深度。在印模上测得的缺陷深度和工件实际缺陷深度数值之间存在着一定的差异，这种差别是由印模材料的收缩率决定的。用印模法测缺陷的过程分5 步：印制、凝固（或干燥）、分离、取样、测量。

选择印模材料对印模法测量很关键，现场测量时，要求印模材料既不能损害被测表面，又要让印模快速凝固，方便现场操作。通过对目前常用印模材料进行分析比较，结合现场使用的一些特殊性，测量人员选择了一种用于牙齿矫正的硅橡胶名为赛拉格（silagum putty）的材料，该材料为双组份（基质糊剂和催化糊剂）1:1 配比混合而成，混合操作控制在30s 内完成，颜色均匀则表示混合充分。印制过程需用力将混合物挤进清洁过的缺陷内。对于通孔结构，需要在孔的出口侧用平板压堵，待印模材料完全凝固后，将已凝固的印模从孔中分离。如果仅需缺陷局部的印模，则将混合物用力敷在要取样的部位，等完全凝固后取下。将得到的印模放置在万能工具显微镜或影像仪上观察，将缺陷的最大轮廓旋转于视场内，测出缺陷位置与基准的高差即缺陷深度。

印模法既可以不受空间位置的限制，真实反映缺陷的最大值，不会对被测面造成损害，更重要的是可以模拟缺陷形状。但对形状细深，口面较小的缺陷不易取样，此时印模材料的收缩变形会影响测量的准确度。印模测量是一个精细而又耗时的操作过程，对操作者的技能要求较高。

以上4 种测量方法的适用场合和优缺点如表1 所示。

表1 4 种测量方法的适用场合和优缺点

3 结语

上述3 种改进后的测量方法，通过对不同表面缺陷的现场试验和实测运用，得到了工程部门的反向测算验证，取得了良好的生产实践效果。在工厂检测能力不足的情况下，这些方法能高效准确地反映真实的测量数据，解决了理化检测和常规计量无法测量的难题。通过本文的介绍，对于其他类似的测量方法改进，也有很好的借鉴意义。